CN106549086A - 一种具有应力补偿效应垒层的led外延结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,涉及发光二极管技术领域。本发明结构从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、浅量子阱层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是,所述有源区与电子阻挡层之间设有应力补偿效应垒层。所述应力补偿效应垒层从下至上依次包括本征半导体层、N型半导体层和P型半导体层。同现有技术相比,本发明通过增加垒层,可以提高电子阻挡效益、增加电动注入、减少效率衰减从而提高辐射复合几率,以达到增强LED内量子效率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域,特别是具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。
背景技术
随着蓝光GaN基LED应用越来越广泛,人们对蓝光GaN基LED的亮度更加关注。
现有技术中的蓝光GaN基LED外延结构如图1所示,从下到上依次为:图形化衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源层6、电子阻挡层7、P型GaN层8。传统蓝光GaN基LED外延结构中由于GaN材料背景浓度较高,大量电子溢出量子阱进入P型导电层,降低电动注入效率。同时,由于电子阻挡层对电子的限制,也抑制电动的注入,降低复合效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明的目的是提供一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构。它通过增加垒层,可以提高电子阻挡效益、增加电动注入、减少效率衰减从而提高辐射复合几率,以达到增强LED内量子效率的目的。
为了达到上述发明目的,本发明的技术方案以如下方式实现:
一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,它从下至上依次包括图形化衬底、AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、浅量子阱层、有源区、电子阻挡层和P型GaN层。其结构特点是,所述有源区与电子阻挡层之间设有应力补偿效应垒层。所述应力补偿效应垒层从下至上依次包括本征半导体层、N型半导体层和P型半导体层。所述本征半导体层从下至上依次包括U-GaN层、U-AlGaN层和U-InGaN层,或者从下至上依次包括U-AlGaN层、U-InGaN层和U-GaN层。所述N型半导体层从下至上依次包括N-AlGaN层和N-InGaN层,或者从下至上依次包括N-InGaN层和N-AlGaN层。所述P型半导体层从下至上依次包括P-AlGaN层和P-InGaN层,或者从下至上依次包括P-InGaN层和P-AlGaN层。
在上述LED外延结构中,所述应力补偿效应垒层在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
在上述LED外延结构中,所述应力补偿效应垒层中U-GaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm。U-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4
。U-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2
。N-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4
,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。N-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2
,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。P-AlGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。P-InGaN层的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2
,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
在上述LED外延结构中,所述图形化衬底使用图形化蓝宝石衬底、平衬底、非极性衬底、Si衬底或者SiC衬底任一种。
本发明由于采用了上述结构,通过本征半导体层中三层结构的生长,增加阻挡电子的势垒高度,抑制了电子的溢流现象;通过N型半导体层和P型半导体层中共四层结构的生长增加电动的注入效率,增加电动的均匀注入,从而提高了电子与电动的复合效率。同时N型半导体层的结构能降低对电动的阻挡,使电动更容易遂穿。本发明在一定程度上避免了波函数的空间分离,提高了电子空穴复合几率,从而有效提高内量子效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中LED外延结构示意图;
图2为本发明的结构示意图;
图3是本发明实施例中应力补偿效应垒层的结构示意图。
具体实施方式
参看图2至图3,本发明具有应力补偿效应垒层的LED外延结构从下至上依次包括衬底1、AlN缓冲层2、U型GaN层3、N型GaN层4、浅量子阱层5、有源区6、应力补偿效应垒层601、电子阻挡层7和P型GaN层8。应力补偿效应垒层601从下至上依次包括本征半导体层611、N型半导体层612和P型半导体层613。应力补偿效应垒层601在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
本征半导体层611从下至上依次包括U-GaN层10、U-AlGaN层11和U-InGaN层12,或者从下至上依次包括U-AlGaN层11、U-InGaN层12和U-GaN层10。U-GaN层10的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm;U-AlGaN层11的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,Al组分为0.1-0.4 ;U-InGaN层12的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,In组分为0.02-0.2
。
N型半导体层612从下至上依次包括N-AlGaN层13和N-InGaN层14,或者从下至上依次包括N-InGaN层14和N-AlGaN层13。N-AlGaN层13的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,Al组分为0.1-0.4 ,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019;N-InGaN层14的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm、In组分为0.02-0.2
,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019。
P型半导体层613从下至上依次包括P-AlGaN层15和P-InGaN层16,或者从下至上依次包括P-InGaN层16、P-AlGaN层15。P-AlGaN层15的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,Al组分为0.1-0.4 ,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020;P-InGaN层16的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,In组分为0.02-0.2
,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
本发明结构的制备方法是在MOCVD反应炉里进行高温烘烤,去除图形化衬底1表面的残余杂质,缓慢降温在500-900℃之间,生长一层AlN缓冲层2。然后迅速升温,在900-1200℃生长U型GaN层3,生长大约10-80min,厚度为1-10um。之后生长N型GaN层4,生长温度在800-1200℃,生长时间为10-80min,生长总厚度在10-10000nm。生长浅量子阱5,生长温度在680-880℃,生长总厚度10nm-2000nm。生长有源区6,生长温度在680-880℃,生长总厚度10nm-2000nm。生长应力补偿层601。生长电子阻挡层7,在800-1000℃下,厚度为50-1000埃。再生长P型GaN层8,在800-1200℃温度下生长,厚度为1000-5000埃,Mg的浓度为5x1017 ~1x1023 cm3。
本发明结构中应力补偿效应垒层601的具体生长方式包括以下步骤:
实施例一:
①
首先生长U-GaN层10,生长温度为700℃,生长压200mbar,
生长厚度为1nm;U-AlGaN层11生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.1;U-InGaN层12生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm、In组分为0.02 。
②其次,生长N-AlGaN层13,生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.1,Si的参杂浓度为5×1017;N-InGaN层14生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.02,Si的参杂浓度为5×1017。
②
最后,生长P-AlGaN层15生长温度为700℃,生长压力为
200mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.1,Mg的参杂浓度为5×1017;P-InGaN层16生长温度为700℃,生长压力为200mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.02 ,Mg的参杂浓度为5×1017。
实施例二:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,
生长厚度为1nm;U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2 ;U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05 。
③ 其次,生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为
400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Si的参杂浓度为5×1017;N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05,Si的参杂浓度1×1018。
④
最后,生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为
400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Mg的参杂浓度为1×1018;P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05
,Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例三:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为800℃,生长压400mbar,生长
厚度为1nm;U-AlGaN层11生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm,Al组分为0.2 ;U-InGaN层12生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为3nm,In组分为0.05 。
②其次,生长N-AlGaN层13生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm,Al组分为0.2,Si的参杂浓度为5×1017;N-InGaN层14生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm,In组分为0.05,Si的参杂浓度为1×1018。
③最后,生长P-AlGaN层15生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为2nm,Al组分为0.2,Mg的参杂浓度为1×1018;P-InGaN层16生长温度为800℃,生长压力为400mbar,生长厚度为4nm,In组分为0.05 ,Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例四:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压400mbar,
生长厚度为1nm;U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2 ;U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05 。
②其次,生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Si的参杂浓度为5×1017;N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05,Si的参杂浓度为1×1018。
③最后,生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Mg的参杂浓度为1×1018;P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为400mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05 ,Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例五:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,生长
厚度为1nm;U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2 ;U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05 。
②其次,生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Si的参杂浓度为5×1017;N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05,Si的参杂浓度为1×1018。
③最后,生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,Al组分为0.2,Mg的参杂浓度为1×1018;P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为1nm,In组分为0.05 ,Mg的参杂浓度为1×1018。
实施例六:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压600mbar,
生长厚度为10nm;U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,Al组分为0.2 ;U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,In组分为0.05 。
②其次,生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,Al组分为0.2,Si的参杂浓度为1×1018;N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,In组分为0.05,Si的参杂浓度为1×1018。
③最后,生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,Al组分为0.2,Mg的参杂浓度为1×1019;P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为10nm,In组分为0.05 ,Mg的参杂浓度为1×1019。
实施例七:
①
首先生长U-GaN层10生长温度为900℃,生长压力为600mbar,
生长厚度为20nm;U-AlGaN层11生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,Al组分为0.4 ;U-InGaN层12生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,In组分为0.2 。
②其次,生长N-AlGaN层13生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,Al组分为0.4 ,Si的参杂浓度为1×1019;N-InGaN层14生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,In组分为0.2 ,Si的参杂浓度为1×1019。
③最后,生长P-AlGaN层15生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,Al组分为0.4 ,Mg的参杂浓度为1×1020;P-InGaN层16生长温度为900℃,生长压力为600mbar,生长厚度为20nm,In组分为0.2 ,Mg的参杂浓度为1×1020。
以上所述,仅为本发明的具体实施例,并不限于本发明的其它实施方式,凡属本发明的技术路线原则之内,所做的任何显而易见的修改、替换或改进,均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,它从下至上依次包括图形化衬底(1)、AlN缓冲层(2)、U型GaN层(3)、N型GaN层(4)、浅量子阱层(5)、有源区(6)、电子阻挡层(7)和P型GaN层(8),其特征在于:所述有源区(6)与电子阻挡层(7)之间设有应力补偿效应垒层(601),所述应力补偿效应垒层(601)从下至上依次包括本征半导体层(611)、N型半导体层(612)和P型半导体层(613);所述本征半导体层(611)从下至上依次包括U-GaN层(10)、U-AlGaN层(11)和U-InGaN层(12),或者从下至上依次包括U-AlGaN层(11)、U-InGaN层(12)和U-GaN层(10);所述N型半导体层(612)从下至上依次包括N-AlGaN层(13)和N-InGaN层(14),或者从下至上依次包括N-InGaN层(14)和N-AlGaN层(13);所述P型半导体层(613)从下至上依次包括P-AlGaN层(15)和P-InGaN层(16),或者从下至上依次包括P-InGaN层(16)和P-AlGaN层(15)。
2.根据权利要求1所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,其特征在于:所述应力补偿效应垒层(601)在氮气、氢气或者氢氮混合环境中生长。
3.根据权利要求1或2所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,其特征在于:所述应力补偿效应垒层(601)中U-GaN层(10)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm;U-AlGaN层(11)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4
;U-InGaN层(12)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2
;N-AlGaN层(13)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4
,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019;N-InGaN层(14)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2
,Si的参杂浓度为5×1017-1×1019;P-AlGaN层(15)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中Al组分为0.1-0.4,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020;P-InGaN层(16)的生长温度为700-900℃,生长压力为200-600mbar,生长厚度为1-20nm,其中In组分为0.02-0.2 ,Mg的参杂浓度为5×1017-1×1020。
4.根据权利要求3所述的具有应力补偿效应垒层的LED外延结构,其特征在于:所述图形化衬底(1)使用图形化蓝宝石衬底、平衬底、非极性衬底、Si衬底或者SiC衬底任一种。
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